金属橡胶材料隔振特性研究

　　引　言

　　金属橡胶材料的内部结构是金属丝相互交错勾联形成的类似橡胶高分子结构那样的空间网状结构,它受到振动位移时,金属橡胶的干摩擦阻尼可耗散大量能量而起到减振作用。金属橡胶材料根据需要可制成各式各样减振器,它耐高温、低温,抗腐蚀,不易老化,适合于航空航天等恶劣环境中使用。本文在前人有关金属丝状材料的非线性泛函本构关系的研究成果基础上,通过实验建模的方法确定了金属橡胶材料的数学模型,重点研究了系统特征参数与结构物理参数、环境参数之间的关系,得出非线性振动系统一阶共振频率、一阶共振传递率随着激励条件、配重的改变而变化的规律。通过对该系统参数的识别并与前人的经验相结合,得到在减振结构确定时,其最佳减振效果下的金属橡胶材料质量占空比参数,为金属橡胶减振器简便和快速设计提供了依据。

　　1　力学模型

　　金属橡胶材料是一种非线性干摩擦阻尼材料,它不仅具有双折线泛函本构关系,而且无记忆恢复力中含有很强的三次非线性成分[1,2]。其力学模型如图1所示,它代表简化为集中质量的设备与诸如钢丝绳等非线性干摩擦减振器相联并固定在刚性基础之上的一类减振问题。图2为干摩擦非线性减振器具有记忆特性的双折线泛函本构关系。图1、2中,zs、ks、ys分别代表干摩擦非线性减振器环节滑移后恢复力、未滑移前的线性刚度、滑移极限。

　　从图2双折线本构关系的滞迟回线可以看出在外力小于干摩擦力zs时,A与B之间发生弹性变形,但是交接面A与B不发生滑移。在这种情况下,没有干摩擦阻尼,所以原来的振动系统可以视作线性系统。一旦B与C之间的变形产生足够大的弹簧力(ksybc)超过zs,A与B就发生滑移,干摩擦力总是与运动速度反向。一旦运动改变反向,A与B之间的滑移暂时停止但A与C之间仍有弹性变形(图2中的1～2)。一直到ks所产生的弹簧力超过反向摩擦力-zs时,A与B才发生反向滑移(图2中的2～3)。对于周期运动来说,A与C之间的阻力与相对位移形成滞迟回线(图2中的1～2～3～4)。

　　干摩擦阻尼力在一个周期内不是常数,而是非线性的。很明显,滞迟回线的刚度是非线性软化刚度,当振幅愈大时,刚度愈低,共振频率降低。因此,干摩擦能吸收冲击能量、缓和冲击载荷。滞迟系统具有运动方程:

式中,m为质量;c为阻尼系数;k为线性刚度;B为三次非线性系数;z(t)为非线性本构关系的恢复力;y0为激励力幅值;X为激励频率。

　　2　不同结构的金属橡胶模型的试验研究

　　目前,对于干摩擦非线性减振器的研究[1,2,5,6]只限制在理论建摸以及响应计算,但由于该种减振器中具有非线性本构关系,记忆恢复力中含有很大成分的非线性,所以其共振频率以及共振传递率在不同条件下的规律变化情况从理论上未能得到定性关系。本文从理论与实验相结合的办法来得到经验参数,为减振器的设计奠定基础。金属橡胶材料选用1Cr18Ni9Ti不锈钢金属丝制作,直径为0.20mm,金属丝材料是精细结构材料的一种应用,通过金属丝的螺旋成型、缠绕、模压使其成为具有微孔状结构的减振体,它具有类似橡胶材料的弹塑性性质。本文的金属橡胶模型有空心圆柱模型、半球薄壳模型两种类型。